5.2.8 PCI Express总线

5.2.8  PCI Express总线

1．概述

传统的总线技术通过提高并行传输的位数来提高性能，从8位、16位、32位到64位，并行位数越多，制造难度越大，成本也越高。随着速度的提升，针头、接脚、线缆、布线等诸多方面很难解决同步问题，传统并行总线中与数据信号同时传输的源同步时钟信号频率只能达到1GHz。

PCI成为主流架构后，为满足高速数据流的传输，显卡不使用PCI总线而用AGP接口，南北桥之间的通道也不使用PCI总线而代之以专用的诸如Intel的AHA、VIA的V-Link以及SIS的Multi-Threaded I/O Link，显然主板上总线类型多，不统一；同时，Pentium 4前端总线频率已超过1GHz。为提高总线带宽、统一总线标准，3GIO（第三代I/O标准）总线标准PCIExpress应运而生。PCI Express将取代PCI、AGP及各种不同内部芯片的连接，连通所有I/O。目前，支持PCI Express的芯片组越来越多，计算机系统的未来总线属于PCI Express。

PCI Express采用了目前业内流行的点对点串行连接，比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。相对于传统PCI总线在单一时间周期内只能实现单向传输，PCI Express的双单工连接，能提供更高的传输速率和质量。它们之间的差异，与半双工和全双工类似。

PCI Express的接口根据总线位宽不同而有所差异，包括X1、X4、X8以及X16（X2模式将用于内部接口而非插槽模式）。较短的PCI Express卡可以插入较长的PCI Express 插槽中使用。PCI Express接口能够支持热插拔，这也是个不小的飞跃。PCI Express 卡支持的3种电压，分别为+3.3V、3.3V辅助电源以及+12V。用于取代AGP接口的PCI Express接口位宽为X16，将能够提供5GB/s的带宽，即便有编码上的损耗，但仍能够提供约为4GB/s 左右的实际带宽，远远超过AGP 8X的2.1GB/s的带宽。

PCI Express 规格从1条通道连接到32条通道，有非常强的伸缩性，以满足不同系统设备对数据传输带宽不同的需求。例如，PCI Express X1规格支持双向数据传输，每向数据传输带宽为250MB/s，PCI Express X1已经可以满足主流声效芯片、网卡芯片和存储设备对数据传输带宽的需求，但是远远无法满足图形芯片对数据传输带宽的需求。因此，必须采用PCI Express X16，即16条点对点数据传输通道连接来取代传统的AGP总线。PCI Express X16也支持双向数据传输，每向数据传输带宽高达4GB/s，双向数据传输带宽有8GB/s之多。相比之下，目前广泛采用的AGP 8X数据传输，只能提供2.1GB/s的数据传输带宽。

尽管PCI Express技术规格允许实现X1（250MB/s）、X2、X4、X8、X12、X16和X32通道规格，但是依目前形式来看，PCI Express X1和PCI Express X16将成为PCI Express主流规格。同时，芯片组厂商将在南桥芯片当中添加对PCI Express X1的支持，在北桥芯片当中添加对PCI Express X16的支持。除提供极高的数据传输带宽之外，PCI Express因为采用串行数据包方式传递数据，所以PCI Express接口每个针脚可以获得比传统I/O标准更多的带宽，这样就可以降低PCI Express设备生产成本和体积。另外，PCI Express也支持高阶电源管理，支持热插拔，支持数据同步传输，为优先传输数据进行带宽优化。

在兼容性方面，PCI Express在软件层面上兼容目前的PCI技术和设备，支持PCI设备和内存模组的初始化。也就是说，目前的驱动程序、操作系统都无须更换就可以支持PCI Express设备。

2．PCI Express总线技术的特点

（1）点对点互连。PCI Express在两个设备之间采用点对点互连，芯片之间采用接口连线、设备之间采用数据电缆、扩展卡之间使用插槽连接，这样为每个设备提供独立的通道带宽，充分保证设备的带宽资源，不同于PCI设备共享同一总线资源。

（2）扩展灵活。使用PCI Express专用电缆可将各种外部设备与系统内的PCI Express总线相连，而不像PCI总线只能在机箱内通过扩展槽加以扩展。

（3）传输率高。信号频率高达2.5GHz，再加上采用特殊的双通道通信技术，进一步提高了传输速率。定义有多种通道连接方式，最高达X32通道，双向数据传输带宽高达16GB/s。

（4）连接具有通用性。PCI Express在软件上与PCI兼容，不仅可用于南桥与其他设备的连接，还延伸到芯片组之间的连接，也可用于图形芯片的连接，能将整个I/O系统统一起来，优化微机系统设计。

（5）引线少、功耗低。采用串行通信，每个通道数据传输仅需4根引线。引线数量少，电源功耗低，可靠性高。PCI ExpressX1总线插槽共有18根引脚，4根为双向数据传输，其余14根为电源线、控制线及这4根线的相互组合。

（6）支持热插拔和即插即用PnP（Plug and Play）。与USB、1394一样，可方便地将外部设备对总线进行在线插拔，并且即插即用。

（7）支持两种类型中断。一种是老式PCI设备中断PCI INTX（X为A、B、C、D之一），一种是新型的MSI（Message Signaled Interrupt，消息信号中断）。MSI在PCI 2.2/2.3设备中是可选项，在PCI Express中则是必需的。

3．PCI Express的数据传输与带宽

从逻辑上看，PCI Express有3个协议层，从高到低依次是处理层（transaction）、数据链路层（data link）和物理层（physical）。

处理层接收发送端数据并将其分块打包后送往数据链路层，或者将数据链路层送来的数据包还原成原本的发送信息送至接收端。数据链路层采用Ack/Nack协议技术对数据包进行校验检测，将发送的数据包送往物理层，或者接收物理层送来的比特流分包检测后送往接收端的处理层，保证数据在数据链路层之间无差错地传送。物理层负责在通信线路上传输串行的比特流。

PCI Express数据包传输包含了4种基本处理类型：内存处理、I/O处理、配置处理和信息处理。

PCI Express采用串行传输，位宽为1，使用8/10位编码。取10位作为一个字符的传输，PCI Express×1方式单向传输的带宽为1×2.5GHz=2.5Gbps=（2500M/10）/s=250MB/s，双向传输的带宽为2×2.5GHz=5Gbps=500MB/s。

如表5-7所示为微机系统中各种总线的频率与带宽。

表5-7  微机系统中各种总线的频率与带宽